虚拟现实技术与实验教学相结合的难点剖析

乔志明，俞卫博，赵 然，张 力

（陆军工程大学石家庄校区 河北 石家庄 050003）

虚拟现实（VR）技术能够利用计算机对三维现实世界进行模拟，用户借助必要的设备仪器实现与“虚拟世界”的交互，产生接近真实环境的体验和感受。随着计算机硬件和软件水平的提高，虚拟现实技术越来越多地应用于教育领域，逐步发展成了一种新的教学手段。

作为教学环节的重要组成部分，实验教学既是理论教学的延续与支撑，是培养学生实践能力、创新能力的基本方法。虚拟仿真实验是虚拟现实技术应用于实验教学的典型形式，它可以营造辅助、部分替代甚至全部替代传统实验环节的操作环境，实验者在虚拟的环境中完成各类实验项目，得到接近真实甚至优于真实的实验效果。因此，虚拟现实技术与实验教学的结合具有重要的意义，同时，作为一种较新的教学手段，虚拟仿真实验的发展也面临很多问题。

1 虚拟现实技术应用于实验教学的意义

实验教学是教学活动的重要环节，是指学生利用仪器设备，人为控制条件使实验对象发生变化，进而通过观察、测定和分析，获取知识，培养能力。与理论教学相比，实验教学往往更注重增强感性认识，加深学生对知识的掌握；更注重培养动手实践能力，发挥学生主观能动性；更注重激发灵感和兴趣，提高学生创新能力。虚拟现实在技术实现效果上具有沉浸性、交互性和构想性的特点，与实验教学目标的契合程度更高，为进一步提高实验教学效果提供了更多可能性；同时，虚拟现实技术信息化程度高，为解决信息传输及传统实验硬件问题提供了新的方法。

1.1 创新教育方法

虚拟现实技术科技性强、信息化程度高，极大丰富了实验教育教学的方法和手段。一方面，虚拟仿真实验教学可构建丰富、直观的感官环境，提供多种人机交互方式，增强了实验教学的形象性、趣味性，可激发学生的学习兴趣，提高学习效果。另一方面，虚拟仿真实验因其虚拟性，对实验专用设备、仪器、试剂、环境等条件要求不高，这使得更多实验可以在理论教室根据教学需要随时进行模拟，不需要专门安排实验室，节省了学生学习时间，提高了理论与实验结合的程度。根据需要，教师还可以把通用计算机能够虚拟的实验项目放在互联网上，以丰富学生预习、复习等课下学习的方式方法。

此外，虚拟现实技术的引入为颠覆式课堂、翻转课堂等新的教学理念落地提供了条件，使教学更加契合学生需求，突出了“以学生为中心”的实验教学理念。

1.2 完善教学内容

教师可以基于实验原理，在时长、难度、规模、内容等方面合理设计和改造实验项目，使得一些传统课堂上无法完成的实验项目得以实施，从而补充完善教学内容，满足学生实验需求，培养学生实践能力，促进学生综合素质的提高。

此方面的实验项目主要包括：现有技术条件下无法真实开展的实验，比如物理上微观世界的模拟、医学上人体的畅游、军事教学上的模拟对抗等；一些试验周期过长，不便于在教学过程中展开实验的，比如材料学上金属的锈蚀实验、化学上部分较慢反应的实验、一些社会学实验等；一些高风险或极端环境的实验，在现实中不便直接安排学生做的实验，比如工程上部分高电压、强辐射实验等。

1.3 突破硬件局限

对于一些虽然可以做真实实验但代价较大的项目，虚拟仿真实验由于突破了真实实验项目的硬件限制，可重复性和开放程度都大幅提高，而费用大幅降低，便于学生进行强化练习，提升实践能力。

此方面的实验项目主要包括：实验仪器设备贵重且教学资源较少，实验机会有限的实验；长期实验对环境、人体等有损害，不便于重复试验的实验；实验损耗过多，重复实验成本较大的实验。

将真实实验进行虚拟，一方面，学生可在真实实验展开前反复虚拟练习，提高真实实验时的实验效果；另一方面，可减少需要进行强化训练的实验项目的成本，以较小的代价提高学生熟练程度，比如医学生的模拟手术培训、军事武器装备的模拟操作。

1.4 扩大开放共享

部分虚拟仿真实验项目可基于通用计算机进行实验项目的桌面化虚拟，并接入互联网，实现开放共享，促进教育资源的优化调配。

第一，网上课程建设角度。在“互联网+”时代，网上教育资源越来越丰富，虚拟仿真实验可作为网上教学、远程教学的重要内容，与慕课（MOOC）等理论教学资源配套使用，相互补充，大幅提高教学效果。

第二，学生自主学习角度。学生可根据需要自主选择、组合实验项目，在实验操作中发挥主观能动性，提高学习兴趣，培养创新能力。

第三，教育公平角度。课程的公开化使得相对落后地区学校的孩子更方便接触到优质实验教学资源，拓宽他们的视野，这在一定程度上进一步促进了教学公平。

2 虚拟仿真试验发展中的难点问题剖析

虚拟现实技术与实验教学的结合虽经历长期发展，形成了大量的研究与应用成果，但是，两者结合后的大面积推广并没有完全展开，未获得全面的实践检验。因此，我们必须基于提高学生实践能力和创新精神的出发点，正确看待其局限性，认识其在发展中存在的问题。

2.1 资源统筹难度较大

虚拟现实的形式和实现手段丰富，基本形式就有桌面式、沉浸式、增强现实式、分布式4 种，软件开发平台有Virtools、Quest 3D、VR-Platform、Unity 3D 等，语言、视觉、触觉等方面的虚拟工具更是层出不穷，开发语言也是多种多样。同一个虚拟实验项目可以有多种建设方案，实现的效果也有很大不同。

目前，由于建设经验偏少，虚拟仿真实验项目基本都是院校和教学团队基于教学需要委托企业来做，所以出现了大量的实验项目重复策划、重复建模、重复建设的情况。这样不仅浪费了大量的人力、物力资源，而且由于建设方案多种多样，无法在教学评价上达到一致，统筹难度较大。

2.2 建设标准不够统一

虚拟仿真实验项目虽发展迅猛，但与实际需求相比还形不成规模，多数学校和老师的经验比较匮乏，基于其开展教学的经验则更少，没有形成统一规范和标准。

当前，虚拟仿真实验平台通常由各院校的不同教学团队与软件开发企业进行沟通，合作开发制作。在此过程中，一方面，企业发展良莠不齐、水平不一，开发方法和思路千差万别；另一方面，教师对虚拟现实技术的最新发展水平认识普遍不够，其教学思路、教学设计在软件上的体现程度不同，即使是相同实验的软件，在不同版本之间，设计风格、交互程度、内容安排、考核方法等方面差距也较大。而不同的软件设计策略又直接影响课程培养方案的设计和教学评价体系的建设。

此外，虚拟现实技术发展迅速，技术更新周期短，其产品也容易随着技术的发展而落伍，相应的实验教学方案也容易快速被淘汰，较难实现教学能力的内涵式转化。

2.3 专业人才力量不足

虚拟现实技术与实验教学的结合是信息技术与教育教学两个领域的结合，一套合理、有效的虚拟仿真实验系统必须是既基于教学需求，又充分运用先进技术的系统。完全依赖企业进行研发，则会导致软件系统不能满足教学要求，实现不了教学效果；完全依托高校来实现，则不能充分发挥虚拟现实的技术优势，同时牵扯教师大量精力，得不偿失。当前，虚拟现实研发企业“井喷式”发展，专业领域人才越来越多，但既会开发系统软件又懂教学理论的学科交叉领域人才太少，基于某一实验教学项目需求去开发高水平系统软件的难度较大，虚拟实验建设“精品”项目还比较少。

2.4 技术发展不够全面

虚拟现实技术本身的发展局限性比较大。例如，其虽然在视觉方面的模拟能力越来越强，然而对听觉、触觉的模拟还比较弱，对味觉的模拟更是非常困难；对一些随机事件的虚拟算法研究还需要加强，对实验过程中的各类突发情况分析没有成熟的模拟方法。

虚拟现实技术与具体实验教学项目结合程度还不够高。由于专业性较强，又涉及多学科多领域，技术可靠性、稳定性往往不足，多数实验项目的虚拟效果与真实条件相差较远，吸引力与有效程度都比较低。

2.5 配套建设比较薄弱

在系统硬件建设方面，由于高水平的虚拟现实系统建设对硬件的要求比较高，而把高水平虚拟现实系统引入实验室教学则成本偏高。因此，目前的虚拟仿真实验系统普遍存在延时偏长、分辨率不够高、显示效果不够好等问题，建设水平偏低。多数虚拟仿真实验为水平偏低的简单桌面式虚拟，部分高校虽建设了沉浸式、增强现实式、分布式实验系统，但教学转化程度普遍偏低，对实验教学没有起到应有的效果。

在建设方法研究方面，关于虚拟实验教学方法的研究还比较少。目前，基于虚拟平台进行实验考核与评价标准建设不成体系，虚拟仿真实验在学生实践能力培养方面的实际效果尚未得到实践检验。虚拟实验与真实实验的比重关系、与理论教学补充关系的相关研究十分薄弱，虚拟实验在教学中的特殊作用尚未完全凸显出来。

3 小结

虚拟现实与实验教学的结合创新了教育方法、完善了教育内容、突破了硬件局限、扩大了开放共享、极大丰富了实验教学的内涵。但是其发展仍具有局限性，主要问题是资源统筹难度较大、建设标准不够统一、专业人才力量不足、技术发展不够全面、配套建设比较薄弱等，仍需教师进一步深化研究，以提升虚拟现实技术在实验教学中的应用水平。